基于可拓创新方法的云仓储优化策略研究

文/孙文卓 李凌峰 李元中

在云仓储处于萌芽阶段的背景下，为使仓储环节更加高效，本文采用可拓创新方法对典型的单个仓库模型进行了分析，并提出了有利于仓储高质量发展的优化策略。本文通过组件和相互作用分析建立了仓库系统功能模型，以此找出了其中的不足功能。进行根原因分析后建立基元模型，进行问题求解，提出优化策略组。并通过层次分析法比较了各策略优度，为云仓储高质量发展提供建议。

1.引言

目前对于仓储环节的优化，国内杨玮等（2017）提出了利用Flexsim 建模缩短入库时间[1]，肖华等（2017）通过建立自动化仓库的数学模型，研究了自动化仓库轨道规划[2]。国外Martins（2013）研究了仓储作业过程中作业时间与空闲时间变化大的问题[3]，GrosseEH等（2015）研究了货位优化中的建模问题[4]。已有的这些研究，对仓库的入库、拣选、货位和作业流程优化等方面进行了研究，但未能提出形式化、程序化的分析方法，无法系统科学地对仓库进行模型研究，因此本文基于可拓创新方法对仓库进行了形式化、程序化的分析，对仓库库存的实时反应以及预测问题进行了研究。

2.可拓学理论概述

可拓学的研究对象是矛盾问题，基本理论是可拓论，方法体系是可拓创新方法，可拓论和可拓创新方法在各个领域的应用称为可拓工程[5]。可拓学为了解决矛盾问题，以其为研究对象创建了一套程序化的创新方法，帮助我们按照程序处理问题和矛盾，实现创新，是比较高效的创新方法。在可拓学中，建立了物元、事元、关系元（统称为基元）来描述物、事和关系[6]。基元（B）作为逻辑细胞的基本表达式为B=（O，C，V）=

其中，O表示某对象(物、动作或关系)，而c1，c2，…，cn表示对象的n个特征，v1，v2，…，vn表示对象关于某个特征的相应量值。可拓创新方法使用流程一般是先用形式化的方式表示矛盾问题，通过发散树、相关网、蕴含系、分合链等拓展方法进行拓展，再通过置换、增删、扩缩、分解、复制等基本变换方法以及与、或、积、逆的4种基本运算，来获得创新方案，最后通过优度评价，获取较优方案。

3.仓库系统功能模型的建立和分析

3.1 组件分析。仓库是所要研究的工程系统。仓库的系统组件可以分为装卸设备、运输设备、保管设备、计量设备、养护检验设备、通风保暖设备、信息设备这七个部分，超系统组件为货物，如表1所示。

表1 组件分析

3.2 相互作用分析。使用矩阵列表、对表1的系统组件和超系统组件进行相互作用分析，并且用“+”来表示每两个组件间存在作用关系，“-”来表示每两个组件之间不存在作用关系。

3.3 功能模型建立。仓库系统的主要目标是超系统组件中的货物，根据相互作用分析的结果表2，可以建立出功能模型图，如图1。由图1可以得出三个比较明显的问题，一是保管设备的信息上传到信息设备的功能不足，二是计量设备的计量结果反馈到信息设备的功能不足，三是由信息设备调度货物的功能不足。

表2 相互作用分析

3.4 模型分析。由功能模型中的四个不足功能，可以得出该仓库在货物的室外定位、盘点方面存在问题。仓库在盘点环节使用纸质文件完成信息记录，由员工将相关信息手动上传到信息系统，依靠过程效率低下且容易出现误差；缺少室外定位系统，无法实时预测库存变化。近年，低功耗广域网络（LPWAN）技术发展迅速、比较成熟，已开始广泛部署[7]。以这项技术为基础的定位系统主要包括基站、LoRa传感器，定位系统，定位算法。LoRa传感器通信范围长、功耗小、成本低、尺寸小[8]，定位精度主要受算法影响。以这项技术为基础的定位系统很适合仓库对货物的室外定位。现对盘点和室外定位问题、建立事元模型A1、A2。

4.组策略分析

选取事元模型A1中A13，A2中A24作为关键事元进行发散分析。该仓库的盘点工作主要是由员工手动清点，记录在纸质文件上并上传信息管理系统。其问题在于手动清点效率较低，且容易出现误差。这一问题的解决有员工清点装备的升级和货物室内定位的优化两方面的方案。清点装备升级方案需要引入条形码标签和对应的手持扫描仪，将货物信息存入对应条形码中，清点时只需要扫描对应条形码，扫描仪就能将扫描结果存入信息系统中。这一方案简化了工作流程，解决了手动清点记录效率低下，容易出错的问题。优势是投入成本较小，劣势是它只能获取到某一时刻的库存信息，无法实时精准反映库存。货物室内定位方案需要在库内布置若干RFID读写器和天线，每个读写器都对应任意的货架区域，当带有标签的货物进入读写器范围时，它的信息就会被上传到信息系统中。这一方案节省了人力，免去了频繁的盘点工作，而且可以实时精准反映库存情况，但投入成本略高。

室外定位需要布置定位基站和定位设备，组成无线传感网络。它的主要问题在于定位精度，定位精度主要是受算法影响。目前对于室外定位有无相关距离的定位算法和基于距离的定位算法两种。前者以APIT定位算法为例，它每次选取三个定位基站联成三角形，通过基站接收到的信号强度变化判定定位设备是否在三角形内，多次重复选取三角形和判定，最终判定其位置[9]。这一算法优势在于对设备要求较低，劣势是精度不稳定。后者以TDOA定位方法为例，它需要多个定位基站，接受来自定位设备的信号并据此计算距离，通过多个距离和对应基站的位置计算出定位设备的位置[10]。这一算法优势在于精度较高，劣势在于对设备要求较高，投入成本较高。A24=（室外定位，方式，定位算法）

对以上策略进行组合，得到优化策略。

策略Z1需要引入盘点工具扫描仪、选择室外定位算法为APIT定位算法；Z2需要引入盘点工具扫描仪、选择室外定位算法为TDOA定位算法；Z3需要引入以RFID技术为基础的室内定位系统、选择室外定位算法为APIT定位算法；Z4需要引入以RFID技术为基础的室内定位系统、选择室外定位算法为APIT定位算法。

5.策略评价

（1）确定衡量指标。对组合得出的优化策略，选择定位精度C1，投入成本C2，盘点效果C3作为衡量指标。（2）采用层次分析法（AHP），对方案进行比较并得出其优度。对于该仓库的优化，盘点效果重要性大于投入成本，而成本重要性比定位精度重要。故使用1-5比率标度建立判别矩阵H，H=

用求和法求出权系数ai=（a1，a2，a3）=（0.1062，0.2605，0.6333）。

（3）计算各方案Zj的关联度并进行规范。使用1-5级标度设置指标C1、C2、C3的量级。建立关联函数ki（Xi），Xi取很不好、不好、一般、好、很好时，ki（Xi）可以分别取1、2、3、4、5。

每个方案Zj的关联度分别为

计算各指标的规范关联度

据此得出各方案Zj的规范关联度为

计算得出 Z1、Z2、Z3、Z4的优度分别为0.7042，0.6900，0.9100，0.8958。故以此评价的话方案Z3最优，Z4优度稍逊于Z3。Z3方案需要仓库内引入RFID定位系统，仓库外基站定位算法采用以APIT定位算法为例的无关距离定位算法，是策略集中最有利于该仓库的优化方案。

6.结语

近年来、云仓储这一运作模式逐渐兴起，提高了物流效率、降低了物流成本。本文从实际出发，运用可拓学较为科学和全面地分析系统，发散问题，获取策略集，并进行优度评价选取解决方案，为解决问题提供有效帮助。对于仓库而言，短期内有效地投入可以取得长期的高质量发展和更大回报，机械化和信息化已是仓库发展的长期趋势。以此可以形成以创新驱动为动力的“云物流”高质量发展。